УДК 53.087.92
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
А. К. Нефедов
Рассматриваются принципы построения многофункциональных микропроцессорных преобразователей, выполненных, в частности, с использованием микроконтроллера на базе отечественных однокристальных микроЭВМ семейства МК51.
Принципиальная особенность микропроцессорных преобразователей (МП) заключается в том, что в них программируемое вычислительное устройство входит в состав измерительной цепи и участвует в получении результатов измерения, т. е. микропроцессор реализует часть измерительной процедуры в цифровой форме на программном уровне. Таким образом МП позволяют перейти к реализации измерительных алгоритмов принципиально нового уровня сложности с соответствующим расширением измерительных возможностей и повышением точности измерений. Улучшение метрологических характеристик и расширение функциональных возможностей связаны с интеллектуализацией измерительных средств, причем само это понятие непосредственно определяется наличием процессора и программной части [1].
Структурное построение МП зависит от реализуемого алгоритма работы, т. е. процессы разработок аппаратной части и программ являются взаимно корректирующими и определяются задачей, поставленной перед разработчиками. Наиболее важные задачи будут общими, и они сводятся к [2]:
• линеаризации функции преобразования датчика, которая позволяет снизить требования к технологии, конструкции и стоимости датчика или применять те типы датчиков, которые ранее не применялись из-за существенной нелинейности характеристики;
• компенсации температурных уходов устройства питания датчика и измерительного канала;
• компенсации температурной погрешности датчика;
• автоматической линеаризации и масштабированию по точкам без подстройки под конкретный датчик;
• получению производных функций от перемещения — скорости, ускорения.
Структурная схема МП для датчиков линейных перемещений приведена на рисунке. В состав МП входят датчик линейных перемещений ДЛП\ усилитель входного сигнала УС; мультиплексор МХ: устройство выборки-хранения УВХ\ аналого-цифровой преобразователь АЦП; модуль температурной компенсации ТК: базовый микропроцессорный модуль БММ\ репрограм-мируемое постоянное запоминающее устройство РПЗУ, устройство вывода цифровой информации на семисег-ментный индикатор Б И: устройство ввода-вывода с ПК У В В: устройство питания датчика УПД, включающее стабилизатор тока питания СТТ и генератор цифрового синусоидального тока ЦСГ.
Основные преобразования сигналов датчика — аналоговое, аналого-цифровое и цифровое — осуществляются в базовом блоке и определяются программой, заложенной в РПЗУ. При выборе алгоритма функционирования МП предпочтительнее использовать поточный метод обработки, при котором последовательно выполняются операции [3]:
• приема сигнала датчика;
• обработки по алгоритму линеаризации и записи результата в ОЗУ;
• приема сигнала от УПД;
• вычисления отклонения от опорного напряжения и температурной коррекции УПД;
• приема сигнала корректирующей обмотки датчика;
• вычисления ошибки и коррекции характеристики от температурных уходов датчика. Структурное построение измерительного канала
МП позволяет эффективно реализовать алгоритм линеаризации градуировочной характеристики датчика линейных перемещений с учетом температурных уходов.
Основу БММ составляет однокристальная восьмиразрядная микроЭВМ 8051 (8031). Несмотря на непрерывное развитие и появление все новых 16- и 32-разрядных МК и микропроцессоров булыиая часть мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за восьмиразрядными устройствами. Во многих случаях использование МК с высокими техническими характеристиками экономически и аппаратно не обосновано. При работе с ДЛП вполне достаточно использовать МК на базе отечественных ОМ ЭВМ, в частности, таких, как 1186ВЕ31/51, 1130ВЕ31/51, 1150ВЕ31/31.
При включении питания осуществляется общий сброс, все адреса и данные устанавливаются в положение 0. По команде процессора с выхода БММ выдается тактовая частота на цифровой синусоидальный генератор и начинается формирование тока питания датчика.
Структурная схема микропроцессорного преобразователя для датчиков линейных перемещений
Датчики и Системы • № 4.2001
43
В момент, соответствующий максимальному значению сигнала на выходе усилителя, происходит запоминание этого значения устройством выборки-хранения и запуск АЦП. По окончании преобразования АЦП выдает сигнал готовности, воспринимаемый микропроцессором, и цифровой код перемещения записывается в соответствующий регистр ОЗУ данных. Одновременно прекращается выдача тактовой частоты 1\ на ЦСГ на все время обработки данных, этим уменьшается общий ток потребления МП.
Полученный цифровой код обрабатывается программой кусочно-линейной интерполяции, которая обращается к соответствующей области ПЗУ, где хранится градуировочная характеристика конкретного датчика. На выходе подпрограммы проводится пересчет цифровых кодов в числовые значения физической величины (мм, кг и т. д.). Для повышения точности измерения и устранения случайных значений эффективно использование статистической обработки, после окончании которой проводится температурная коррекция характеристик и вывод информации в доступном для потребителя виде (аналоговом, цифровом) через буферные регистры на семисегментные индикаторы и группу цифроанало-говых преобразователей УВВ для передачи на ПК.
В начале каждого машинного цикла работы МП проводится проверка условия внешнего прерывания. При наличии запроса от ПК через УВВ выполнение основной программы прекращается, и процессор переключается на подпрограмму ввода, дешифрации и анализа поступившей информации. В УВВ последовательный код локальной сети преобразуется в параллельный, анализируется адрес обращения к конкретному МП, и при совпадении адресов МП и адреса обращения информация выводится в локальную сеть. После завершения работы с УВВ МП переключается на возврат в начало цикла измерения [3].
Микропроцессорный преобразователь позволяет подключать несколько датчиков линейных перемещений. Ограничение числа датчиков определяется объемом внутренней памяти и быстродействием процессора.
На основе МП имеется возможность построения интеллектуальных датчиков самых разнообразных параметров, а также многофункциональных систем изме-
рения. В этом направлении намечаются следующие варианты решения проблемы.
• Разработка интеллектуального датчика на основе МП и чувствительного элемента дифференциально-трансформаторного типа для измерения параметров перемещения, силы, массы и т. п., в котором методы искусственного интеллекта используются для улучшения его метрологических характеристик [4]. Применение интеллектуального датчика возможно, во-первых, когда нет четких критериев для корректного описания целевой функции, во-вторых, когда алгоритмы оптимизации существуют, но их реализация на вычислительных средствах в многоканальных системах требует слишком много времени.
• Разработка унифицированного многофункционального МП с введением дополнительных модулей сопряжения для других типов датчиков. Системы измерения с разнотипными датчиками более громоздки, но в то же время имеют широкие возможности в связи с большой номенклатурой существующих датчиков различных параметров. Например, при разработке системы измерения параметров сложного объекта с использованием нескольких типов датчиков имеет смысл объединить все это в систему с МП и выходом на регистратор с последовательным интерфейсом.
К отличительным особенностям многофункциональных систем на основе МП следует отнести минимальные размеры, мобильность и гибкость использования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мелик- Шахназаров A.M. Измерительные приборы со встроенными микропроцессорами. М.: Энергоатом издат, 1985.
2. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. М.: Радио и связь, 1984.
3. Гумиова И.И., Золотарёв В.А., Новиков В.Н. Многофунку-циональный микропроцессорный преобразователь // Радиотехника. 1995. № 10.
4. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. J1.: Энергоатомиздат, 1986.
.Алексей Кузьмич Нефёдов — инж.-конструктор НИИ физических измерений (Пенза).
Ш (841-2) 69-89-15 □
Уважаемые руководители предприятий!
Редакция журнала "Датчики и Системы" совместно с редакцией журнала "Mayakinfo" в Internet и с дизайнерской студией фирмы ООО "Флорида-Трэвел Сервис" в 2001 г. планирует создание в сети Internet сайта коллективного участия, где они могут иметь свои персональные страницы и краткие информационные модули на общей странице-выставке товаров, предлагаемых для продажи отечественным и зарубежным фирмам.
Сайт коллективного участия _ это представительство в сети Internet предприятий одной отрасли, которое сэкономит предприятиям большие средства на создание персональных страниц, рекламу, рассылку и т. д.
Более подробную информацию по участию в коллективном сайте Вы можете узнать по телефонам 200-43-50, 207-41-83; по адресу: www.mayakinfo.ru/ptm E-mail: ptm- 1@rambier.ru
44 _ Sensors & Systems • № 4.2001
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.